专利名称：复合覆面板系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种结构组件，该结构组件主要由在聚合物基质中具有加强纤维的复合基质材料形成，该结构组件可被用作覆面板系统或用于其它应用。
背景技术：
长时间以来已认识到对用于承载覆面板的替代材料和构形的需求。例如用于车辆通行的桥梁的传统的承载覆面板在历史上由钢和混凝土制成。虽然用于钢和/或混凝土桥的建筑技术以及所采用的材料随着时间的过去已有了发展，但已证明建筑过程的劳动强度非常大，并且已证明作为结果的建筑物易受腐蚀和其它老化的影响。
部分地响应于这些成本和老化问题，已建议使用基于聚合物复合基质材料而不是基于钢和/或混凝土的覆面板系统。例如在此被引入作为参考的美国专利5,794,402建议使用由聚合物复合基质形成的积木式结构部件来形成用于桥梁的夹层板类型的承载覆盖面板。该402专利建议使用多个夹在上和下面板之间的聚合物复合基质核心构件来形成积木式夹心板。该核心构件被描述为空心管，其典型地具有不规则四边形的横截面。虽然该专利指出该管子可利用拉挤成型处理方法制成，但这种利用拉挤成型的管子的实际制造已证明是困难的，主要是因为具有完全被包围的通道的空心管的拉挤成型在工艺上是困难的。简单的说，这样的空心形状的拉挤成型需要使用浮沉模具，这就导致在制造过程中难于对其进行控制。另外，该专利还讲授应该使用具有所谓45°-45°-90°定向的加强纤维层，可是，使用这样的45°-45°-90°定向非常昂贵。因此，尽管该5,974,402专利所说的积木式聚合物复合基质的方法与传统的钢和/或混凝土方法相比，具有一些理论上的优点，但是已经证明了在制造上是非常困难的。
因此，仍然有对更容易和/或成本更低地制造和使用的替代的复合结构组件的需求。理想地，这样的组件应能够用于除了承载覆面板之外的应用，但对此没有严格要求。
发明内容
本发明的复合结构组件包括基板，其具有多个横向延伸的开口通道；以及顶板，其固定到基板上。基板由包括加强纤维和聚合物树脂的第一复合基质形成，并且还包括具有第一和第二侧部的大致为平面的基座部，从该基座部的第一侧部延伸的多个加强筋，和配置在加强筋之间且通常由相邻加强筋与基座部的第一侧部所限定的多个开口通道。在某些实施例中，加强筋具有大致为T形状截面且可以具有横向延伸的帽部，该帽部设置成远离且大致平行于基座部的第一侧部。顶板由加强纤维和聚合物树脂的第二复合基质形成，且固定在基板上，以便大致封住通道。优选地，顶板可装卸地固定在基板上。进一步地，在某些实施例中，至少一个基座部及顶板是半透明的。
基板的第一复合基质可以包括加强纤维的多个第一线股，其中第一线股在大致平行于通道的第一方向上定向。顶板的第二复合基质可以包括加强纤维的多个第二线股，其中第二线股在大致垂直于第一线股的方向上定向。第一及第二复合基质中的一个或两者可以可选地包括多层具有随机定向的毡加强纤维。在优选的实施例中，基本上第一复合基质中的所有加强纤维定向在第一方向上的线股或是具有随机定向的毡加强纤维。
本发明的基板的开口通道结构允许容易地进入到基座部的通道中，并因此进入加强筋的侧部，从而简化制造工序。另外，加强纤维的单独定向线股的使用(可选地具有随机定向的毡层)使得成本非常低的材料可以被使用。
图1表示本发明的复合结构组件的一实施例的透视图。
图2表示图1所示的基板的侧视图。
图3表示图2所示的基板的一部分的更详细视图。
图4表示图1的复合覆面板系统应用于桥时的局部分解侧视图。
具体实施例方式
图1中示出了本发明的复合结构组件的一实施例，通常用20表示。该组件20包括基板30和固定在基板30上的顶板80。如图2～3更详细地所示，基板30包括基座部40、多个加强筋50、和多个通道60。基座部40可以是大致平面的、优选地为矩形的，具有顶侧部42和底侧部44的物件。加强筋50从基座部40的顶侧部42向上延伸且可有利地构形成具有柱部52和帽部54的大致T形状。柱部52大致垂直地远离基座部40延伸且可以具有大致矩形的截面、或者为所希望的锥形。柱部52和基座部40的顶侧部42的接头可被构造为例如通过被合适地倒角而降低压力和/或简化制造过程。帽部54形成在加强筋50的与基座部40的接头相对的端部，这样将帽部54与基座部40隔开。帽部54可有利地采用大致为平面的部件的形式，其配置成大致垂直于加强筋50的柱部52且大致平行于基板30的基座部40。另外，如图所示，柱部52和帽部54的接头可被构造为例如通过被合适地倒角而降低压力和/或简化制造过程。帽部54可以在其顶侧部具有多个孔56，用来承接紧固件(参见图4)，如下面进一步讨论的那样。加强筋50优选地以均匀的距离相互隔开，加强筋50端部与基板30的各端部相隔一半间隔。
在每一对相邻的加强筋50之间是横向延伸的开口空间，这里称作通道60。当纵向观察时，这些通道60可以在概念上被分成两部分、即腔室62与间隙部64。腔室62被配置成最接近基座部40，并且一般由相邻的加强筋50的侧壁、和基座部40的顶侧部42的插入部分来限定。间隙部64是加强筋50的末端部之间的区域并将其各自的腔室62与加强筋50上方区域相连接。像加强筋50这样，通道60有利地从基板30的一边缘横向穿过到相对的边缘。
顶板80可以采用大致为平面矩形的部件的形式，其与基板30的高度相比相对厚度较薄。顶板80可以有利地包括多个埋头螺纹孔82，埋头螺纹孔82对应着基板30的加强筋50的末端(例如帽部54)排成一行。顶板80可以具有通常垂直于其主表面的外围边缘；然而顶板80的一个或多个外围边缘可以替代地成一定角度，以便在顶板80邻接时作出重叠的接头。
当顶板80固定在基板30上时，顶板80跨接间隙部64，因此封住基板30中的通道60。因此，基板30与顶板80的联结可以形成积木式板部，其可以被称作“夹心”结构，其中，顶板80与基座部40形成大致平行的表面，加强筋50在其中间延伸。
基板30和顶板80的主体由包括聚合物树脂中的加强纤维的复合基质形成。要了解关于加强纤维和聚合物树脂基质的信息，注意美国专利No.5,794,402。在基板30中，复合基质由加强纤维的多个线股100形成，线股100如此地配置，以致与通道60大致平行。因此，在图2、3中，仅示出了线股100的端部。形成基质的树脂120包围着该线股100。另外，为了简化制造工艺，可以在线股100的每层之间有一层加强纤维毡102，或者在线股100的每个第二层之间有一层加强纤维毡102，或者在线股100的每个第三层之间有一层加强纤维毡102等等。毡102包括同一或不同类型的加强纤维，该加强纤维可随机定向而不是在一个方向上定向或者仅在几个选择的方向上定向。
同样地，顶板80的聚合物复合基质由在树脂基质中的多个加强纤维线股100形成，且具有可选择的毡112的层。
基板30与顶板80可以由现有技术中已知的例如拉挤成型工艺形成。用更简单的话来说，拉挤成型工艺包括通过在其中添加树脂的成形模具来拉伸多个线股(例如线股100或线股110)。所得的产品具有与模具相应的截面形状。对本发明来说，基板30可以通过在通道60的方向上由拉挤成型形成，由此线股100在由拉挤成型的方向上排列。基板30中的线股100可以均匀地分布在其中。可是，可更有利在基板30中具有并不均匀地分布于其中的线股100。例如，可更有利地使线股100的密度作为到基板30的中轴线的距离的参数而变化，因为最接近中轴线的线股100不会较大地增加基板30的弯曲强度，却会增加成本。因此，加强筋50的柱部52可能具有与基座部40及帽部54相比密度低的线股100。
顶板80也可以由拉挤成型形成。对顶板来说，线股100的方向也应该是拉挤成型的方向。然而应注意，根据本发明的大多数实施例，线股100与线股110将最终配置在垂直定向上，如以下进一步描述的那样。
尽管以前建议将拉挤成型应用于桥覆面板部件，例如美国专利No.5,794,402中所述，该应用的截面形状已经证明了难于制造。这归咎于所建议的截面形状的整体封闭特性。例如，在“402”专利中的图3的管46具有中央管路，中央管路由周围的侧壁完全封闭。这样完全封闭的截面难于制造，特别是难于使用拉挤成型方法来制造。与之形成强烈的对比，本发明的基板30的开口通道构形允许容易地进入基座部40的顶侧部42，因此简化制造工艺。
通过说明性的例子，本发明的组件20可以用作车辆通行桥梁的一部分。桥梁的多个结构支承件，例如柱子和梁12，使用传统的任意方法进行安装。参照图4，相关的梁12在该例子中定向在交通流动(或者纵向)方向18上。如上所述的组件20然后可以安装在梁12上方，每个基板30和顶板80优选地为4英尺×50英尺的数量级，或更优选地为8英尺×50个英尺的数量级。在安装结构组件20之前，相关的梁12的顶部优选地准备在梁12的边缘添加且在其上部表面可选地接嵌的L形状的压铁(未示出)。在L形状的压铁和梁顶部之间的空间中最终填充有灌浆14，当设置灌浆14时覆面板系统的重量通过灌浆14而作用在梁12上。准备梁12的该方法通常在工业上被称为“可变梁腋法”，并且本领域技术人员充分了解该方法。
之后，基板30通过任何已知的方法来装接在梁12上。例如，每个基板30可以具有多个适当的钻出的或者以适当的间隔在其中形成的孔，用于将所谓尼尔森双头螺栓16安装在梁12上。如果使用上述螺栓，则每个尼尔森双头螺栓16的顶部应该穿过孔并向上延伸，进入基板30的相应腔室62。灌浆14然后被泵输送并填充围绕尼尔森双头螺栓16的腔室62。优选地，一些不承载的分隔部件被添加在通道60内每个尼尔森双头螺栓16的任一侧，由此围绕尼尔森双头螺栓16的灌浆14形成一个小的灌浆袋，且不会填满整个通道60。另外，灌浆14围绕尼尔森双头螺栓16在下游流动，且进入到基板30与梁12之间的空间内。需要注意的是结构引起的振动可能有利于用来帮助灌浆14的流动，由此灌浆完全填满基板30与梁12之间的空间。相邻的基板30然后也同样地安装，以此类推。相邻的基板30通过以下方式连结在一起例如使用连接板34，连接板34通过适当的紧固件36而固定在某处，紧固件36装在基板30的边缘的相应攻丝孔中。尽管未图示，但如果需要的话，连接板34可以保持在沿着基板30的边缘形成的相应凹处。在这一点上，基板30连结在一起并固定在梁12上。顶板80然后被固定在基板30上，顶板80的加强线股110定向在交通流动的方向18上且垂直于基板30中的线股100。顶板80可以被粘合在加强筋50的帽部54上，但优选地是通过适当间隔螺栓而可装卸地固定于其上。可有利地使用任何已知技术在相邻的顶板80之间密封和/或安装伸缩接头。最后，如果需要的话，一层额外的防磨表面可以然后被加到顶板80上。需要注意的是，也有利地在制造过程中将某些或全部额外的防磨表面加到顶板80上，在将某些或全部额外的防磨表面输送到安装地点之前。
对上述的安装方法来说，假设的是在基板30与顶板80的数量、大小(面积)之间是一一对应的关系，两个部件相互对齐来形成夹心板。在这样的板中，基板30(例如50英尺)的纵向尺寸与顶板80(例如50英尺)的纵向尺寸在同一方向上相同，但线股100与线股110相互垂直地定向。可是，本发明也应该被理解为包括一给定的顶板80固定在多个基板30上的布置，因此，从多于一个的基板30上封闭通道60。另外，本发明的某些实施例可以具有在一方向上延伸的基板30的纵向尺寸(例如横截于交通流动方向18)以及在垂直方向上延伸的顶板80的纵向尺寸(例如平行于交通流动方向18)。不管基板30和顶板80的定向如何，线股100与线股110一旦被安装就应该相互大致垂直地定向。
除了桥的安装之外，本发明还特别适于停车场覆面板的应用。停车场覆面板的安装可以基本上如上所述地实施。另外，通道60，尤其那些没有用尼尔森双头螺栓12的通道60，可以用于容纳缆线、沟渠、公用设施、加热元件、排水沟及类似物。实际上，如果基板30和/或顶板80的基质是半透明的，则照明元件可以安装在不用的通道60中。进一步地，对实施例来说，在顶板80可装卸地固定于基板30之处，可以卸下相关的顶板80来提供用于维修或替换照明元件、缆线等的入口，然后再次在此处固定。
当然，本发明的结构组件20不限于桥或停车场覆面板的应用，也可以应用于任何所需或希望的承载板件上(例如在海上油田平台、漂浮平台等)。进一步地，结构组件20也可以用于非水平的应用中，例如用于建筑的垂直壁、噪音壁、挡水墙及类似物，其中结构组件20没有被充分加载。
借助非限制性的例子，有用的复合覆面板组件20可以由以下部件制成4英尺宽×50英尺长且包括具有1/2英寸的厚度的基座部40的基板30，3根7英寸高并以1英尺的间隔隔开的加强筋，近似于1/2英寸宽度的加强筋柱部52，和4英寸宽的帽部54。基板30的基座部40可以以交替层叠的形式由4层线股100和5层E型玻璃纤维毡102制成，线股以密度为每英寸8个线股100由六十四当量(yield)(加强线股的每单位重量的长度测量值)E型玻璃纤维制成，这两者都在异酞聚酯树脂120中。基板30的加强筋50的柱部52可以类似以交替层叠的形式用异酞聚酯树脂120中密度为每英寸4个线股的六十四当量E型玻璃纤维的3层线股100和4层E型玻璃纤维毡102制成。应当注意，本领域的技术人员可以理解，柱部52的层可以在与基板30的层不同的方向上“堆叠”，例如，基板中的层可以“南-北向”堆叠而柱部52中的层可以“东-西向”堆叠。帽部54可以是交替层叠的结构，其具有在异酞聚酯树脂120中的密度为每英寸4个线股的六十四当量E型玻璃纤维的4层线股100和5层E型玻璃纤维毡102。顶板80也可以类似地为4英尺×50英尺×1/2英寸厚度且以交替层叠的形式用每英寸6个线股的密度的六十四当量E型玻璃纤维的4层线股110和5层E型玻璃纤维毡112制成，两者都在异酞聚酯树脂120中。顶板80可以通过两英寸间隔的1/2英寸直径的螺栓而固定在基板上。基板30和顶板80都可以使用拉挤成型工艺来制造。如由美国国家公路和运输官员协会(AASHTO)定义的这样的布置应该适于支承HS-25载荷。
以上给出的结构组件20的描述所假设的是基板30配置在顶板80下方，可是，这两个部件的相对位置可以在不脱离本发明范围的情况下转换。例如，尽管可能不是很有利，但顶板80可以配置在基板30下方，加强筋50向下方延伸。这样一来，术语“基板”与“顶板”不应解释为暗示相对位置，也不应排除这样反转后的布置。
普通术语“线股”用来描述以100、110表示的加强纤维(金属丝)的分组。应当注意的是该普通术语应包含在工业中称为的例如“纱线”、“粗纤维”、粗纱”等的替代。这样的线股可以由玻璃纤维(例如S型玻璃纤维、E型玻璃纤维”)、芳香族聚酰胺纤维、碳纤维、石墨纤维及类似物制成。
尽管在附图及上述的说明中详细图解和描述了本发明，这些附图和说明应看作为说明性的并且不限制特征，可以理解的是虽然仅示出并描述了某一些实施例，但在所附权利要求的意思及同等范围内的所有的变化及修正都包含于其中。
权利要求
1.一种结构组件，其包括基板，其由在聚合物树脂中包括加强纤维的第一复合基质形成，所述基板包括大致为平面的基座部，其具有与其第一上及下表面相对应的第一侧部、和与所述上及下表面中的另一个相对应的第二侧部；从所述基座部的所述第一侧部延伸的多个加强筋，多个开口通道，其配置在所述加强筋之间，并且通常由相邻的所述加强筋与所述基座部的所述第一侧部所限定；以及顶板，其由在聚合物树脂中包括加强纤维的第二复合基质形成，所述顶板固定在所述基板上，以便大致封住所述通道的至少一部分。
2.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述加强筋包括横向延伸的帽部，所述帽部设置成远离且大致平行于所述基座部的所述第一侧部。
3.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述通道包括相应开口空间及间隙部，所述间隙部配置在相邻加强筋的末端部之间，所述开口空间配置在所述基座部的所述第一侧部附近并连接所述间隙部。
4.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述第一复合基质包括加强纤维的多个第一线股，所述第一线股在大致平行于所述通道的第一方向上定向。
5.如权利要求4所述的组件，其特征在于，所述第二复合基质包括加强纤维的多个第二线股，所述第二线股在大致垂直于所述第一线股的方向上定向。
6.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述基座部和所述顶板中的至少一个的至少一部分是透明的。
7.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述顶板可装卸地固定在所述基板上。
8.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述加强筋有规则地相互隔开。
9.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述加强筋具有大致T形状的截面。
10.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述加强筋从大致垂直于其的所述基座部的所述第一侧部延伸。
11.如权利要求4所述的组件，其特征在于，所述第一复合基质还包括具有随机定向的多层毡加强纤维的。
12.如权利要求11所述的组件，其特征在于，所述第一复合基质中的基本上所有加强纤维是定向在所述第一方向上的所述线股或是具有随机定向的所述毡加强纤维。
13.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述基板大致水平地配置。
14.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述基板配置在所述顶板下方。
15.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述基板是第一基板，其中所述通道是第一通道，还进一步包括与所述第一基板大致类似且具有第二通道的第二基板，所述顶板固定在所述第一及第二基板上，以便大致封盖所述第一通道和所述第二通道的至少一部分。
16.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述基板大致平行地配置；其中，所述加强筋从大致垂直于其所述基座部的所述第一侧部延伸，所述加强筋包括横向延伸的帽部，所述帽部设置成远离且大致平行于所述基座部的所述第一侧部；其中，所述第一复合基质包括加强纤维的多个第一线股，所述第一线股在大致平行于所述通道的第一方向上定向；其中，所述第二复合基质包括加强纤维的多个第二线股，所述第二线股在大致垂直于所述第一线股的方向上定向；其中，所述顶板可装卸地固定在所述基板上。
17.如权利要求16所述的组件，其特征在于，所述顶板在装接于所述基板上时，沿着基板的大致整个长度封住所述通道。
18.如权利要求16所述的组件，其特征在于，所述基座部和所述顶板中的至少一个的至少一部分是透明的。
19.如权利要求16所述的组件，其特征在于，所述基板是第一基板，其中所述通道是第一通道，还进一步包括与所述第一基板大致类似且具有第二通道的第二基板，其中所述顶板固定在所述第一及第二基板上，以便大致封盖所述第一通道与所述第二通道的至少一部分。
20.一种形成复合结构组件的方法，包括借助拉挤成型过程，利用在聚合物树脂中包括加强纤维的第一复合基质来形成基板，所述基板包括大致为平面的基座部，其具有与其第一上及下表面相对应的第一侧部、和与所述上及下表面中的另一个相对应的第二侧部；从所述基座部的所述第一侧部延伸的多个加强筋，多个开口通道，其配置在所述加强筋之间，并且通常由相邻的所述加强筋与所述基座部的所述第一侧部所限定；以及由在聚合物树脂中的加强纤维的第二复合基质形成顶板，然后将所述顶板固定在所述基板上，以便大致封住所述通道的至少一部分。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述加强筋包括横向延伸的帽部，所述帽部设置成远离且大致平行于所述基座部的所述第一侧部。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述通道包括相应开口的空间及间隙部，所述间隙部配置在相邻加强筋的末端部之间，所述开口空间配置在所述基座部的所述第一侧部附近并连接所述间隙部。
23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第一复合基质包括加强纤维的多个第一线股，还包括在所述拉挤成型过程中在大致平行于所述通道的第一方向上定向所述第一线股。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述第二复合基质包括加强纤维的多个第二线股，还包括在第二方向上定向所述第二线股，并且所述将所述顶板固定在所述基板上的步骤包括将所述顶板固定到所述基板上，以使所述第二方向大致垂直于所述第一线股的所述第一方向。
25.如权利要求20所述的方法，其特征在于，由第一复合基质形成所述基板的步骤包括形成其中至少一部分透明的所述基板。
26.如权利要求20所述的方法，其特征在于，由第二复合基质形成所述基板的步骤包括形成其中至少一部分透明的所述基板。
27.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述顶板可装卸地固定在所述基板上。
28.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述加强筋有规则地相互隔开。
29.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述加强筋具有大致为T形状的截面。
30.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述加强筋从大致垂直于其的所述基座部的所述第一侧部延伸。
31.如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括由至少一个所述通道产生光，所述光可以通过所述基座部看到。
32.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述基板大致水平地配置。
33.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述基板配置在所述顶板下方。
34.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述基板是第一基板，其中所述通道是第一通道，还进一步包括形成与所述第一基板大致类似且具有第二通道的第二基板，并且还进一步包括所述将所述顶板固定在所述第一及第二基板上的步骤，以便大致封盖所述第一通道与所述第二通道的至少一部分。
35.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述加强筋从大致垂直于其的所述基座部的所述第一侧部延伸，其中所述加强筋包括横向延伸的帽部，其中所述帽部设置成远离且大致平行于所述基座部的所述第一侧部，其中所述基板大致水平地配置，其中所述第一复合基质包括加强纤维的多个第一线股，其中所述第二复合基质包括加强纤维的多个第二线股，其中所述顶板可装卸地固定在所述基板上，进一步包括在所述拉挤成型过程中在大致平行于所述通道的第一方向上定向所述第一线股；在第二方向上定向所述第二线股，以及其中所述将所述顶板固定在所述基板上的步骤包括将所述顶板固定在所述基板上，以使所述第二方向大致垂直于所述第一线股的所述第一方向。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，由第一复合基质形成所述基板的步骤包括形成其中至少一部分透明的所述基板。
37.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述基板是第一基板，其中所述通道是第一通道，还进一步包括形成与所述第一基板大致类似且具有第二通道的第二基板，以及还进一步包括所述将所述顶板固定在所述第一及第二基板上的步骤，以便大致封盖所述第一通道与所述第二通道的至少一部分。
全文摘要
本发明的复合结构组件包括基板和固定在基板上的顶板。基板由包括定向在第一方向上的加强纤维的线股、和聚合物树脂的第一复合基质形成。基板包括多个加强筋和多个横向延伸且配置在加强筋之间的开口通道。顶板由在聚合物树脂中的加强纤维的第一复合基质形成，且可选且可释放地固定在基板上，以便大致封住所述通道的至少一部分。所有基板中的加强纤维可以限制为定向在第一方向上的线股或具有随机定向的毡加强纤维。基座部的至少一部分与顶板可以是半透明的。开口通道简化了制造工序并降低了成本。
文档编号E04C3/28GK1688777SQ03824061
公开日2005年10月26日 申请日期2003年9月4日 优先权日2002年10月11日
发明者D·里查兹 申请人:泽尔康普公司